(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード及びカソードが対設された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックのアノードへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池スタックのカソードへ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、アノードの圧力を検出するアノード圧力検出手段と、アノード圧力を制御するアノード圧力制御手段と、アノードから排出されるアノードオフガスを吸引する吸引装置と、前記吸引装置を介してアノードオフガスをアノードへ再度供給するための循環経路と、前記循環経路からアノードオフガスを外部へ排出する排出経路と、前記循環経路と前記排出経路とを切り替える切替装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
燃料電池システムの起動時に、前記切替装置は前記排出経路を選択し、前記吸引装置により吸引したアノードオフガスを排出経路から排出し、前記アノード圧力検出手段の検出値が予め設定された負圧以下となった後に、前記切替装置は前記循環経路を選択し、前記吸引装置により吸引したアノードオフガスをアノードへ循環するとともに、前記燃料ガス供給装置からアノードへ燃料ガスの供給を開始し、
前記燃料ガスの供給開始後、前記アノード圧力制御手段がアノード圧力を前記負圧から目標運転圧力まで所定時間で増大させ、
前記負圧は、前記吸引装置により循環供給される残留ガスの流量と、当該ガス中の水素ガス濃度に基づいて算出される圧力に設定され、
前記所定時間は、前記吸引装置により循環供給される残留ガスが前記循環経路を少なくとも１周循環する時間より長く設定したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記切替装置は、前記循環経路を遮断する遮断用開閉弁と、前記排出経路から排出されるアノードオフガスの排出量を調整する排出量調整弁とを備え、
燃料電池システムの起動時には、前記遮断用開閉弁を閉じ、前記排出量調整弁を開き、前記吸引装置を駆動することで、前記吸引装置により吸引したアノードオフガスを排出経路から排出し、
前記アノード圧力検出手段の検出値が前記負圧以下となった後に、前記遮断用開閉弁を開き、前記排出量調整弁を閉じることにより、前記吸引装置により吸引したアノードオフガスをアノードへ循環させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
アノードの温度を検出するアノード温度検出手段を備え、
該アノード温度検出手段の検出値に応じて、前記負圧あるいは前記目標運転圧力の少なくとも一方を設定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
アノードの酸素濃度あるいは酸素量の少なくとも一方を検出する酸素検出手段を備え、
該酸素検出手段の検出値に応じて、前記負圧あるいは前記目標運転圧力の少なくとも一方を設定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
アノードの水素濃度あるいは水素量の少なくとも一方を検出する水素検出手段を備え、
該水素検出手段の検出値に応じて、前記負圧あるいは前記目標運転圧力の少なくとも一方を設定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前回の燃料電池システム停止から今回の燃料電池システムの起動開始までの経過時間を計測する停止時間計測手段を備え、
該停止計測時間の計測値に応じて、前記負圧あるいは前記目標運転圧力の少なくとも一方を設定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記負圧あるいは前記アノード温度検出手段の検出値の少なくとも一方に応じて、前記吸引装置から吐出される流量の目標流量を設定することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記吸引装置の駆動開始からの経過時間を計測する排出時間計測手段を備え、
該排出時間計測手段の計測値が所定排出時間を超えた時に、前記切替装置は、前記排出経路の選択状態から前記循環経路の選択状態へ切り替えるとともに、前記燃料ガス供給装置からアノードへ燃料ガスの供給を開始することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記排出時間計測手段の計測値が所定排出時間を超えたときに、警報を発生する警報発生装置を備えたことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記アノード圧力制御手段が、アノード圧力を前記目標運転圧力まで増大した後からの経過時間を計測する待機時間計測手段を備え、
該待機時間計測手段の計測値が所定待機時間を超えた場合、要求負荷に応じて燃料電池スタックの発電を開始し、
前記所定時待機時間は、要求負荷に応じて燃料電池スタックの発電を開始した場合にでも燃料電池スタックの構成部品を劣化させることのない所要時間より長く設定したことを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料電池スタックのセル電圧あるいは総電圧の少なくとも一方を検出する電圧検出手段を備え、
該電圧検出手段の検出値が所定電圧を超えた場合、要求負荷に応じて燃料電池スタックの発電を開始し、
前記所定電圧は、要求負荷に応じて燃料電池スタックの発電を開始した場合にでも燃料電池スタックの構成部品を劣化させることのない所要電圧より高い電圧に設定されたことを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
アノードに存在する発電に寄与しないガスの濃度あるいはガスの量の少なくとも一方を検出する不純物ガス検出手段を備え、
該不純物ガス検出手段の検出値に応じて、前記要求負荷の上限値が設定されること特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に燃料電池システムの起動停止を繰り返す場合の劣化抑制技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源や熱電併給（コジェネレーション）システムとして注目されている。
【０００３】
通常、固体高分子型燃料電池は、白金等の微粒子を炭素等で担持した電極触媒を備えている。燃料電池の起動停止を繰り返すと、電極触媒が劣化し発電出力や発電効率が低下することが知られている。この電極触媒の劣化を抑制するために、燃料電池システムの起動時に、水素循環ポンプを駆動しながらアノードに水素を供給し、水素濃度センサの水素濃度検出値が95％以上になるまで、排気経路から水素と残留空気との混合ガスを排出する構成になっている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
また、燃料電池の起動時にアノードに残留した空気を迅速に排出するため、通常運転時における燃料ガスの排出流路より、流路抵抗の低い燃料ガス置換流路を設ける技術が知られている（例えば、特許文献２）。
【特許文献１】特開２００３−１０９６３０号公報（第８頁、図１０）
【特許文献２】特開２００４−３２７３９７号公報（第５頁、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術にあっては、アノードへ供給される水素の供給流量が、循環ポンプからの吐出流量すなわち循環ポンプの性能により制約されるために、アノードにて水素／空気の混合ガスの水素濃度が低く、さらにアノードでの水素／空気境界面の存在する時間が長くなり、カソードカーボンの腐食を進行させている可能性が高い。
【０００６】
一方、アノードでの水素／酸素境界面の存在する時間を短くするために、循環ポンプからの吐出流量を増大させたならば、アノードへ供給される水素と残留空気との混合ガスの供給速度が増大するともに、排気経路から排出される水素と残留空気との混合ガスの流量が増大するために、燃焼器あるいは希釈装置などの水素処理装置のサイズを小型化することが困難であるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題点を解決するために、本発明は、アノード及びカソードが対設された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックのアノードへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池スタックのカソードへ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、アノードの圧力を検出するアノード圧力検出手段と、アノード圧力を制御するアノード圧力制御手段と、アノードから排出されるアノードオフガスを吸引する吸引装置と、前記吸引装置を介してアノードオフガスをアノードへ再度供給するための循環経路と、前記循環経路からアノードオフガスを外部へ排出する排出経路と、前記循環経路と前記排出経路とを切り替える切替装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの起動時に、前記切替装置は前記排出経路を選択し、前記吸引装置により吸引したアノードオフガスを排出経路から排出し、前記アノード圧力検出手段の検出値が予め計算された負圧以下となった後に、前記切替装置は前記循環経路を選択し、前記吸引装置により吸引したアノードオフガスをアノードへ循環するとともに、前記燃料ガス供給装置からアノードへ燃料ガスの供給を開始し、前記燃料ガスの供給開始後、前記アノード圧力制御手段がアノード圧力を前記負圧から目標運転圧力まで所定時間で増大させ、前記負圧は、前記吸引装置により循環供給される残留ガスの流量と、当該ガス中の水素ガス濃度に基づいて算出される圧力に設定され、前記所定時間は、前記吸引装置により循環供給される残留ガスが前記循環経路を少なくとも１周循環する時間より長く設定することを要旨とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、アノードに存在する空気を含む残留ガスを、吸引装置により排出経路から外部へ排出することで、アノードの圧力を所定圧力すなわち所定負圧になるまで低減できる。その後、所定負圧まで到達した時点で、残留ガスの外部排出を終了し、吸引装置によりアノードに存在する残留ガスを循環するとともに、アノード圧力を所定負圧から目標圧力まで所定時間で増大する。このとき、燃料ガス供給装置からアノードへ供給される燃料ガス流量は、アノード圧力の時間変化率（（目標圧力−所定負圧）／所定時間）に比例する。
【０００９】
すなわち、アノード圧力を「大気圧から目標圧力まで増大する場合」と比較して「所定負圧から目標圧力まで増大する場合」の方が、アノードへ供給する燃料ガス流量を増大させることができる。従って、アノードにて燃料ガス／空気境界面の形成する時間をより短くすることができ、燃料ガス／空気境界面の形成による燃料電池スタックの構成部品の劣化をより抑制することができる。
【００１０】
また、アノードへ流入する供給燃料ガスと循環ガスとの混合ガス中の燃料ガス濃度は、式（１）となる。
【００１１】
（供給燃料ガス流量Ｑｓ＋循環燃料ガス流量Ｑｒｈ）／総流量Ｑｔ      …（１）
ここで、
燃料ガス供給装置から供給される供給燃料ガス流量Ｑｓ、
吸引装置による循環される循環ガス流量Ｑｒ、
循環ガス流量Ｑｒ＝循環燃料ガス流量Ｑｒｈ＋循環不活性ガス流量Ｑｒｉ
総流量Ｑｔ＝供給燃料ガス流量Ｑｓ＋循環ガス流量Ｑｒ
である。
【００１２】
このため、アノードへ流入する混合ガス中の燃料ガス濃度は、燃料ガス供給装置から供給される供給燃料ガス流量Ｑｓの増大にしたがい増大する。よって、アノードへ流入する混合ガス中の燃料ガス濃度は、供給燃料ガス流量Ｑｓにより調整することができ、供給燃料ガス流量Ｑｓは、燃料ガス供給を開始する直前のアノード圧力（以下、アノード負圧）により調整することができる。そのため、アノードへ流入する混合ガスの燃料ガス濃度は、アノード負圧により調整することができる。
【００１３】
従って、アノード負圧を、アノードへ流量する混合ガス中の燃料ガス濃度が燃料電池スタックの構成部品を劣化させることのない燃料ガス濃度より高くなる圧力より低い圧力として設定することで、燃料電池スタックの構成部品の劣化を防止することができる。または、アノード負圧を、アノードへ流量する混合ガス中の酸化剤ガス濃度が燃料電池スタックの構成部品を劣化させることのない酸化剤ガス濃度より低くなる圧力より低い負圧として設定することで、燃料電池スタックの構成部品の劣化を防止することができる。
【００１４】
また、前記所定時間経過後においては、アノード圧力を増大させないために、燃料電池スタックの発電量が少ない場合には、燃料ガス供給装置からアノードへ供給される燃料ガス流量が大幅に減少する。そのため、前記所定時間経過後において、吸引装置により循環している循環ガスに酸化剤ガス（ここでは空気中の酸素）が含まれている場合には、アノードにて燃料ガス／酸化剤ガス境界面が形成され、燃料電池スタックを劣化させる可能性が高くなる。
【００１５】
よって、前記所定時間を、吸引装置により循環供給される循環ガスが循環経路を少なくとも１周循環できる所要時間より長く選定することで、循環ガス中に含まれる酸化剤ガスをアノード触媒上にて化学反応させて消費することができるので、前記所定時間経過後において、燃料ガス供給装置から供給される燃料ガス流量が減少するような場合においても、アノードにて燃料ガス／酸化剤ガス境界面が形成されることを防止できるために燃料電池スタックの構成部品の劣化を防止することができる。
【００１６】
さらに、アノードに供給する燃料ガス濃度を高めるため、および、燃料ガス／空気境界面の形成する時間をより短くするために、アノードへ供給する燃料ガス流量を増大しているが、アノード系を密閉空間としているために燃料ガスを外部へ排出することがないので、燃焼器あるいは燃料ガス希釈装置などの燃料ガス処理装置をコンパクト化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池システム１０１は、燃料ガスとして水素を供給する水素ガス供給装置１と、水素ガス供給装置１から供給される水素ガスの圧力を調整する圧力調整弁６と、酸化剤ガスとして空気を供給する空気コンプレッサ２と、水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３から排出された水素ガスを再び燃料電池スタック３へ供給するための水素ガス循環流路９と、水素ガス循環流路９内の水素ガスを外部へ排出するパージ弁１１と、パージ弁１１の下流に接続された水素ガス排出流路１２と、燃料電池スタック３から排出された水素ガスを水素ガス循環流路９に循環させるガス循環装置８と、空気コンプレッサ２で圧送された空気を冷却するアフタークーラ１３と、燃料電池スタック３から排出される空気（排空気）から燃料電池スタック３へ供給される空気（供給空気）へ水分を移動させる加湿器１４と、燃料電池スタック３から排出される空気の圧力を調整する圧力調整弁１７とを備える。
【００１９】
燃料電池スタック３は、水素ガスが供給されるアノード（燃料極）４と、空気が供給されるカソード（酸化剤極）５と、アノード４とカソード５の間に挟持された図示しない電解質膜とを備える単電池を積層させて構成される。電解質膜は、加湿器１４により加湿された供給空気が供給されることにより湿潤状態に保され、効率的な発電を行うことができる。
【００２０】
空気コンプレッサ２から吐出される空気は、空気供給配管１５を流れてカソード５へ供給され、カソード５から排出される空気は、空気排出流路１７を流れて装置外部へ排出される。空気コンプレッサ２から流出する空気は、アフタークーラ１３により燃料電池スタック３での電気化学的反応に適した温度まで冷却される。カソード５から排出される空気は、一部の酸素が消費され且つ発電により生成した水分を含んだカソードオフガスとなる。加湿器１４は、カソードオフガスに含まれる水分を用いて燃料電池スタック３へ供給される空気を加湿する。加湿器１４よりも下流の空気供給配管１５上には、空気の圧力（カソード圧力）を検出する圧力センサ２６が配置されている。カソード圧力は、アノード圧力に応じて圧力調整弁１７により調整される。
【００２１】
水素ガス供給装置１から流出する水素ガスは、水素ガス供給配管７を流れてアノード４へ供給される。圧力調整弁６は、水素ガス供給配管７上に配置され、水素ガス供給装置１から流出する高圧状態の水素ガスをアノード４内において適切な圧力（アノード圧力）及び流量に調整する。圧力調整弁６よりも下流の水素ガス供給配管７上には、水素ガスの圧力（アノード圧力）を検出する圧力センサ２３が配置されている。アノード圧力は、圧力調整弁６により調整される。
【００２２】
アノード４の水素ガス排出口は、水素ガス循環流路９と水素ガス排出流路１２とに分岐している。水素ガス循環流路９は、アノード４の水素ガス排出口と水素ガス供給配管７との間を接続し、ガス循環装置８は未反応のまま排出された水素ガスを水素ガス循環流路９を介してアノード４へ再び循環させている。
【００２３】
パージ弁１１は水素ガス排出流路１２上に配置され、パージ弁１１の開度を調整することで水素ガス排出流路１２から排出される水素ガス（アノードオフガス）の排出流量が調整される。
【００２４】
通常発電時には、カソード５内に存在する燃料電池スタック３の発電に寄与することのないガス（例えば、窒素）が、カソード５とアノード４の窒素分圧差に応じて、カソード５からアノード４へ電解質膜を介して透過してくる。ガス循環装置８の循環流量には、ガス循環装置８のガス循環性能、及びアノード４の圧力損失と水素ガス循環流路９の圧力損失に基づいた限界値が存在する。そのため、燃料電池スタック３の発電に応じて要求される水素流量に基づいた水素ガス循環流路９に許容できる窒素濃度の限界値（上限許容窒素濃度）が存在する。水素ガス循環流路９の窒素濃度を上限許容窒素濃度以下に調整するため、カソード５からの透過窒素を外部へ排出する必要がある。カソード５からの透過窒素は、アノードオフガスとともに水素ガス排出流路１２から外部へ排出することができるために、パージ弁１１の開度を調整することで水素ガス循環流路９の窒素濃度を調整できる。
【００２５】
システム制御装置１９には、燃料電池スタック３における各燃料電池セルの電流値や電圧値、燃料電池スタック３全体での電流値や電圧値が入力され、さらに、圧力調整弁６や圧力調整弁１７、パージ弁１１が電気的に接続され、各圧力センサのセンサ値なども入力される。
【００２６】
また、システム制御装置１９は、経過時間計測部２０を備え、この経過時間計測部２０により、前回の燃料電池システム停止から今回の燃料電池システムの起動開始までの経過時間である停止時間計測、吸引装置であるガス循環装置８の駆動開始からの経過時間である排出時間計測、アノード圧力制御手段である圧力調整弁６がアノード圧力を目標運転圧力まで増大した時からの経過時間である待機時間計測をそれぞれ行う。
【００２７】
さらに、システム制御装置１９は、燃料電池システム各部の異常を判断する異常検出部２１を有し、異常を判断した場合には、警報を発生する警報発生装置２２へ信号を送信する。
【００２８】
次に、燃料電池スタック３を構成する電解質膜の劣化メカニズムを説明する。燃料電池スタック３の電解質膜には、プラチナ触媒などの反応触媒が炭素を担体として炭素の表面に塗られる。
【００２９】
しかしながら、このような燃料電池スタック３の電解質膜にあっては、停止時にカソード５とアノード４にそれぞれ酸素と水素が残ったままで負荷をつながないで放置したとき、また、起動時にアノード４に水素を供給し始めたときには、アノード４は水素と酸素が混在した状態すなわち水素／空気境界面が形成され、アノード４からカソード５へプロトンＨ+ が移動し、移動したＨ+ とカソード５の酸素が反応して水が生成される。この反応では電子ｅ- が必要とされるが、負荷が接続されていないため電子ｅ- が負荷を通じて移動してこない。そのため、カソード５に存在する水と電解質膜上の炭素が反応し、生成された電子ｅ- がカソード水生成反応に使われる。このとき電解質膜上の炭素が奪われて、電解質膜が劣化する。アノード４では混在している酸素と、カソード５から移動したＨ+ と、水素のプロトン化で生じた電子ｅ- が反応して水が生成される。開放端電圧が高いと電子の移動が起こりすくなり、これらの化学反応が促進されて電解質膜の炭素被毒が激しくなる。電解質膜上の炭素の被毒は電流−電圧特性に影響を及ぼし、燃料電池の発電電圧が低下し、大きな発電電力を得ることができなくなる。
【００３０】
電解質膜上の炭素の被毒は、燃料電池起動時の水素置換速度が早いほど、すなわち水素／空気界面の存在する時間が短いほど抑制できることがわかっている。また、アノード４へ水素／空気混合ガスが供給される場合には水素リッチの状態すなわち混合ガスの水素濃度が高いほど抑制できることがわかっている。従って、電解質膜上の炭素の被毒を抑制するには、アノード４へ供給する水素流量を増大させることを実現することが必要となる。
【００３１】
一般的なアノード水素置換方法として、水素ガス循環流路９に設けたパージ弁１１を開放した状態で、水素ガス供給装置１からアノード４へ水素を供給しながら水素／空気混合ガスをパージ弁１１から外部へ排出する方策がとられている。そのため、水素置換速度を高める場合には、アノード４へ供給する水素流量を増大させる必要があり、パージ弁１１から多くの水素が外部へ排出される。よって、外部へ排出する水素を処理するために必要な燃焼器あるいは水素希釈装置などの水素処理装置が小型化することが困難となる。
【００３２】
本実施例１では、起動時にアノード４へ供給する水素流量が増大した場合でも、外部へ水素排出を行わず、電解質膜上の炭素の被毒を抑制することが可能である。
【００３３】
まず、パージ弁１１を閉じてアノード４を含む水素ガス循環流路９を密閉状態にすることで、水素の外部排出を禁ずる。ここで、水素ガス供給装置１から密閉空間へ水素ガスを供給した場合、供給する水素流量がより多いほど、密閉空間の圧力の時間変化率が増大する。
【００３４】
すなわち、水素流量を増大させるには、アノード４の圧力制御において、圧力の時間変化率（ΔＰ（圧力の変化量）／Δｔ（圧力変化の時間））を増大させることで可能となる。ここで、圧力の時間変化率（ここでは（終状態の圧力−初期状態の圧力）／昇圧時間）を増大させるには、昇圧時間を短縮すること、初期状態の圧力である昇圧前の圧力を低減すること、終状態の圧力である昇圧の目標圧力を増大することで実現できる。
【００３５】
本実施例では、圧力の時間変化率を増大するために、昇圧の目標圧力は燃料電池スタック３の許容上限圧力、昇圧時間はカソード５を目標圧力まで昇圧する際のカソード圧力制御の応答性能から決まる応答時間の最小時間として選定している。昇圧前の圧力は、昇圧する前のアノード４の圧力をより低減するために、密閉空間の圧力を負圧に制御する。すなわち、パージ弁１１を閉じて密閉状態をつくる以前に、水素ガス循環流路９に設けた遮断弁１０を閉じて、パージ弁１１を開放し、ガス循環装置８によりアノード４を掃気することで、アノード４の圧力を負圧に制御する。この結果、図２の（ａ）、（ｂ）に示すように、所定の昇圧時間で、アノード４の圧力を「大気圧から目標圧力まで増大する場合」と比較して「負圧から目標圧力まで増大する場合」の方が、アノード４へ供給できる水素流量が増大する。
【００３６】
ここで、図２の（ａ）、（ｂ）に示すように、圧力の時間変化率が０となった場合には、水素ガス供給装置１から供給する水素流量が０となる。例えば、水素ガス供給装置１からの水素流量が０となる状況では、ガス循環装置８による循環ガス中に酸素が含まれているならばアノード４にて水素／空気境界面が形成されるため、電解質膜上の炭素の被毒が起こる懸念がある。従って、所定昇圧時間すなわち水素流量が増大している間に、アノード４の残留ガス中に含まれる酸素を、アノード触媒上で消費し、炭素被毒を防止できる量まで低減する必要がある。すなわち、所定昇圧時間のときには、遮断弁１０を開放することで、ガス循環装置８により循環ガスをアノード４へ循環供給する。すなわち、アノード４へは、水素ガス供給装置１からの水素ガスとガス循環装置８からの残留ガスとの混合ガスが流入する。
【００３７】
ここで、アノード４へ流入する水素ガスと循環ガスとの混合ガス中の水素ガス濃度は、式（２）となる。
【００３８】
（供給水素ガス流量Ｑｓ＋循環水素ガス流量Ｑｒｈ）／総流量Ｑｔ      …（２）
ここで、
水素ガス供給装置１から供給される供給水素ガス流量Ｑｓ、
ガス循環装置８により循環される循環ガス流量Ｑｒ、
循環ガス流量Ｑｒ＝循環水素ガス流量Ｑｒｈ＋循環不活性ガス流量Ｑｒｉ
総流量Ｑｔ＝供給水素ガス流量Ｑｓ＋循環ガス流量Ｑｒ
である。
【００３９】
そのため、アノード４へ流入する混合ガスの水素ガス濃度を高めるには、循環ガスの流量を最小限にする必要がある。従って、ガス循環装置８の目標流量は、所定昇圧時間で、アノード４の残留ガス中に含まれる酸素を、アノード触媒上で消費し、炭素被毒を防止できる量まで低減することができる、最小流量として選定する。
【００４０】
本実施例では、具体的にアノード４を昇圧する以前の初期状態での密閉空間を占めるガスを、所定昇圧時間で、ガス循環装置８よりアノード４を含む水素ガス循環流路９を少なくとも１周循環できる流量として、ガス循環装置８の目標流量を選定している。なお、水素流量が増大している間に、全ての残留ガスが少なくとも１度は、アノード４を通過することで、残留ガス中に含まれる酸素を、アノード触媒上で化学反応により炭素被毒を防止できる量まで消費することができることを実験にて確認している。
【００４１】
また、アノード４へ流入する混合ガス中の水素ガス濃度は、上記式（２）で与えられるため、ガス循環装置８の流量Ｑｒと水素ガス濃度が与えられるならば、必要となる水素ガス供給装置１からの水素流量Ｑｓが算出できる。
【００４２】
さらに、この水素流量が与えられるならば、圧力の時間変化率（（終状態の圧力−初期状態の圧力）／昇圧時間）から所定昇圧時間と目標圧力（終状態の圧力）がわかっているために、目標負圧（初期状態の圧力）が算出できる。すなわち、ガス循環装置８の目標流量をすでに選定しているために、アノード４へ流入する混合ガスの水素ガス濃度が与えられるならば、目標負圧を算出できる。
【００４３】
本実施例では、アノード４へ流入する混合ガスの水素ガス濃度は、所定昇圧時間の昇圧過程において、電解質膜上の炭素の被毒を防止できる水素濃度より高い濃度となるように制御する。この水素濃度の要求値から目標負圧を選定する。
【００４４】
また、水素濃度と相対的に酸素濃度の決まるため、上記と同様の考察から、電解質膜上の炭素の被毒を防止できる水素濃度が決まると、酸素濃度の要求値が決まる。
【００４５】
以上をまとめると、図３乃至図４の示すような時系列となる。図３（ａ）は遮断弁１０の開閉状態、（ｂ）はパージ弁１１の開閉状態、（ｃ）はガス循環装置８（循環ポンプ）の吐出流量、（ｄ）は圧力センサ２３が検出するアノード圧力、（ｅ）は水素ガス供給装置１から供給する水素流量をそれぞれ示す。図４（ａ）はガス循環装置８（循環ポンプ）の吐出流量、（ｂ）は水素ガス供給装置１が供給する水素流量、（ｃ）はアノードへ流入する混合ガス流量、（ｄ）はアノードへ流入する混合ガスの水素濃度をそれぞれ示す。
【００４６】
まず、図３の領域Ｉでは、遮断弁１０を閉じ（図３の（ａ））、パージ弁１１を開き（図３の（ｂ））、ガス循環装置８を駆動（図３の（ｃ））し、アノード４の圧力センサ２３のセンサ値が目標負圧以下になるまで（図３の（ｄ）））、残留ガスを外部へ排出する。次に、図３の領域IIでは、目標負圧まで到達した後、遮断弁１０を開き（図３の（ａ））、パージ弁１１を閉じ（図３の（ｂ））、ガス循環装置８の流量を目標流量へ制御（図３の（ｃ））し、その状態で、所定時間で、アノード４の圧力を目標負圧から目標圧力まで増大させる（図３の（ｄ））。このとき、水素ガス供給装置１から圧力の時間変化率に応じた水素がアノード４へ供給される（図３の（ｅ））。
【００４７】
その結果、図４（ｄ）に示すようなアノード４へ流入する混合ガスの水素濃度となる。まず、図４の領域Ｉでは、ガス循環装置８による循環される残留ガス中に水素が存在しない場合には、アノード４へ流入する水素は存在しないため、水素濃度は０となる（図４の（ｄ））。
【００４８】
次に、領域IIでは、水素ガス循環装置８から水素がアノード４へ供給されており（図４の（ｂ））、アノード４へ流入する混合ガスの水素濃度は、上記式（２）となる（図４の（ｄ））。このとき、水素濃度は、電解膜上の炭素の被毒を抑制できる濃度となるように、水素ガス装置から供給される水素流量が制御されており、この水素流量は目標負圧に基づき調整される。
【００４９】
ここで、アノード４にある残留ガスは、水素ガス供給装置１から供給される水素により押し出されながら、ガス循環装置８により吐出されているため、領域IIでは、循環ガスから吐出されるガス中に水素が含まれない時間が続き、領域IIの後半において、循環ガスから吐出されるガス中に水素が含まれてくる。領域II以降（所定昇圧時間の経過した後）では、領域IIにおいて酸素が水素とのアノード触媒上での化学反応により消費されているため、ガス循環装置８から吐出されるガス中には酸素が含まれず、ガス循環装置８からは、混合ガスのガス成分の各濃度に応じた各ガス流量が吐出される。
【００５０】
次に、図５のフローチャートを参照して、実施例１のシステム制御装置１９による燃料電池システムの起動動作を説明する。
【００５１】
まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１１０において、目標負圧Ｐをシステム制御装置内の制御記憶から読み込む。次いで、Ｓ１２０において、遮断弁１０を閉じる。
【００５２】
Ｓ１３０において、パージ弁１１を開く。Ｓ１４０において、ガス循環装置８の駆動を開始する。遮断弁１０を閉じ、パージ弁１１を開いている状態で、ガス循環装置８が駆動しているため、アノード４に存在する残留ガスがパージ弁１１から外部へ排出される。
【００５３】
Ｓ１５０において、アノード４に存在する残留ガスの排出時間の初期化を行う（排出時間ｔ＝０）。Ｓ１６０において、アノード４に存在する残留ガスの排出時間ｔのカウントアップを行う。
【００５４】
Ｓ１７０において、システム制御装置１９は、排出時間ｔと所定排出時間とを比較する。排出時間ｔが所定排出時間より小ならば（Ｓ１７０においてＹＥＳ）、Ｓ１８０に進む。一方、排出時間ｔが所定排出時間以上ならば（Ｓ１７０においてＮＯ）、Ｓ１９５に進む。
【００５５】
Ｓ１８０において、圧力センサ２３の検出値Ｐａを読み込む。Ｓ１９０において、システム制御装置１９は、圧力センサ２３の検出値Ｐａと目標負圧Ｐをとを比較する。検出値Ｐａが目標負圧Ｐより小ならば（Ｓ１９０においてＹＥＳ）、Ｓ２００に進む。一方、検出値Ｐａが目標負圧Ｐ以上ならば（Ｓ１９０においてＮＯ）、Ｓ１６０に戻る。
【００５６】
Ｓ１９５において、システム制御装置１９は、所定時間内でアノード４の残留ガスを排出して目標負圧に到達できなかった異常が発生したと判定する。すなわちガス循環装置８あるいはアノード４を含む水素ガス循環流路９の異常と判定し、警報発生装置２２に警報発生指令を転送して、Ｓ２００へ進む。警報発生指令を受けた警報発生装置２２は、警告灯を点灯させるとともに警報音を発する。
【００５７】
Ｓ２００において、遮断弁１０を開く。Ｓ２１０において、パージ弁１１を閉じる。Ｓ２２０において、ガス循環装置８の目標流量を読み込み、吐出流量を目標流量へ制御する。Ｓ２３０において、圧力センサ２３の検出値Ｐａを読み込む。
【００５８】
Ｓ２４０において、システム制御装置１９は、アノードの目標圧力と所定昇圧時間を読み込み、目標圧力、目標負圧Ｐ、及び所定昇圧時間に基づいて、目標負圧から目標圧力まで所定昇圧時間でアノード圧力を昇圧するための、圧力の時間変化率を算出する。
【００５９】
Ｓ２５０において、アノード圧力を、Ｓ２４０にて算出した圧力の時間変化率に従って目標圧力へ上昇するように制御する。
【００６０】
Ｓ２６０において、システム制御装置１９は、所定待機時間を読み込み、所定待機時間だけＳ２７０への移行を禁止する。この段階では、所定待機時間は、アノード４を含む水素ガス循環流路９内の、残留ガスと水素の混合ガスが、均一に混合するまでの時間として選定している。
【００６１】
Ｓ２７０において、燃料電池スタック３の発電待機時間ｔの初期化を行う（発電待機時間ｔ＝０）。Ｓ２８０において、燃料電池スタック３の発電待機時間ｔのカウントアップを行う。
【００６２】
Ｓ２９０において、システム制御装置１９は、発電待機時間ｔと所定発電待機時間との比較を行う。発電待機時間ｔが所定発電待機時間より小ならば、Ｓ３００に進む（Ｓ２９０においてＹＥＳ）。一方、発電待機時間が所定発電待機時間以上ならば（Ｓ２９０においてＮＯ）、システム制御装置１９は、Ｓ２９０を終了し、燃料電池スタック３の発電が困難と判定して、警報発生装置２２に警報発生指令を転送し警報を発するともに、システムを停止する。
【００６３】
Ｓ３００において、図１では図示しないセル電圧センサにより、燃料電池スタック３の各セル電圧を読み込み、各セル電圧の中で最小セル電圧を検出する。
【００６４】
Ｓ３１０において、システム制御装置１９は、最小セル電圧と所定セル電圧との比較を行う。最小セル電圧が所定セル電圧より大ならば（Ｓ３１０においてＹＥＳ）、システム制御装置１９はＳ３１０を終了し、燃料電池システムの要求負荷に応じた発電を開始する。一方、最小セル電圧が所定セル電圧以下ならば（Ｓ３１０においてＮＯ）、Ｓ３２０に戻る。なお、所定セル電圧は、燃料電池システムの最小発電量に基づき算出されたセル電圧として選定している。
【００６５】
ここで、燃料電池システムの要求負荷に応じた発電を開始する場合には、アノード４を含むガス循環流路９にある窒素濃度を推定して、発電量に上限値を設けている。図ので示すように昇圧直後の窒素濃度は予め推定可能であり、この窒素濃度の推定値に応じて発電量の上限値を選定している。
【００６６】
この結果、実施例１による効果としては、アノード４に存在する空気を含む残留ガスを、ガス循環装置８により水素ガス排出流路１２から外部へ排出することで、アノード４の圧力を目標負圧になるまで低減できる。その後、目標負圧まで到達した時点で、残留ガスの外部排出を終了し、ガス循環装置８によりアノード４に存在する残留ガスを循環するとともに、アノード圧力を目標負圧から目標圧力まで所定時間Ｔで増大する。このとき、水素ガス供給装置１からアノード４へ供給される水素流量は、アノード圧力の時間変化率（（目標圧力−目標負圧）／所定時間）に比例する。すなわち、アノード圧力を「大気圧から目標圧力まで増大する場合」と比較して「目標負圧から目標圧力まで増大する場合」の方が、アノード４へ供給する水素流量を増大させることができる。よって、アノード４にて水素／空気境界面の形成する時間をより短くすることができ、水素／空気境界面の形成による燃料電池スタック３の構成部品の劣化をより抑制することができる。
【００６７】
アノード４へ流入する供給水素と循環ガスとの混合ガス中の水素濃度は、上記式（２）で表されるため、アノード４へ流入する混合ガスの水素濃度は、水素ガス供給装置１から供給される水素流量（Ｑｓ）の増大にしたがい増大する。
【００６８】
よって、アノード４へ流入する混合ガスの水素濃度は水素ガス供給装置１から供給される水素流量（Ｑｓ）により調整することができ、供給水素流量（Ｑｓ）はアノード圧力の目標負圧により調整することができる。そのために、アノード４へ流入する混合ガスの水素濃度はアノード圧力の目標負圧により調整することができる。従って、目標負圧を、アノード４へ流量する混合ガスの水素濃度が燃料電池スタック３の構成部品を劣化させることのない水素濃度より高くなる所要負圧より低い負圧として選定することで、燃料電池スタック３の構成部品の劣化を防止することができる。または、目標負圧を、アノード４へ流量する混合ガスの酸化剤ガス濃度が燃料電池スタック３の構成部品を劣化させることのない酸化剤ガス濃度より低くなる所要負圧より低い負圧として選定することで、燃料電池スタック３の構成部品の劣化を防止することができる。
【００６９】
昇圧時間経過後においては、アノード圧力を増大させないために、燃料電池スタック３の発電量が少ない場合には、燃料ガス供給装置１からアノード４へ供給される燃料ガス流量が大幅に減少する。そのため、昇圧時間経過後において、ガス循環装置８により循環している残留ガスに酸素が含まれている場合には、アノード４にて水素／酸素境界面が形成され燃料電池スタック３を劣化させる可能性が高くなる。よって、昇圧時間を、ガス循環装置８により循環供給される残留ガスが循環経路を少なくとも１周循環できる所要時間より長く選定することで、残留ガス中に含まれる酸素をアノード触媒上にて化学反応させて消費することができるので、前記所定時間経過後において、水素ガス供給装置１から供給される水素流量が減少するような場合においても、アノード４にて水素／酸素境界面が形成されることを防止できるために、燃料電池スタック３の構成部品の劣化を防止することができる。
【００７０】
さらに、アノード４にて水素／空気の水素濃度を低くするため、および、水素／空気境界面の形成する時間をより短くするために、アノード４へ供給する水素流量を増大しているが、アノード４を密閉空間としているために水素を外部へ排出することがないので、燃焼器あるいは水素希釈装置などの水素処理装置をコンパクト化できる。
【００７１】
所定排出時間を、ガス循環装置８の性能かつ水素ガス循環流路９が正常である場合における大気圧から目標負圧までの所要到達時間より長い時間として選定することで、所定排出時間の範囲で、燃料電池スタック３の構成部品の劣化を抑制することができ、起動完了できる。
【００７２】
要求負荷に応じた燃料電池スタック３の発電モードへ移行するまえに、ガス循環装置８の性能低下あるいは水素ガス循環流路９の異常を燃料電池システムのユーザへ報知することができる。
【００７３】
アノード４に存在する混合ガスが一様に分布、混合してない場合には、要求負荷に応じて燃料電池スタック３の発電を開始した場合に、要求負荷に応じて燃料電池スタック３の発電に必要な水素の部分的な供給不足になる可能性があり、燃料電池スタック３の構成部品を劣化させる可能性があるが、所定待機時間を設けることで、アノード４に存在する混合ガスを一様に分布、混合することができ、要求負荷に応じて燃料電池スタック３の発電に必要な水素ガスの部分的な供給不足を防止できるため、要求負荷に応じて燃料電池スタック３の発電を開始した場合にでも燃料電池スタック３の構成部品の劣化を防止できる。
【００７４】
セル電圧を検出することで、ガス循環装置８により燃料電池スタッックの発電に必要な水素をアノード４へ不足することなく供給できていること検出できるために、要求負荷に応じて燃料電池スタック３の発電を開始した場合にでも燃料電池スタック３の構成部品の劣化を防止できる。
【００７５】
アノード４に存在する発電に寄与しないガスの濃度あるいはガス量を検出し、検出値に応じて要求負荷の上限値を選定できるために、要求負荷に応じて燃料電池スタック３の発電を開始した場合に、ガス循環装置８により燃料電池スタッックの発電に必要な水素をアノード４へ不足することなく供給できるので燃料電池スタック３の構成部品の劣化を防止できる。
【実施例２】
【００７６】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する。実施例２の燃料電池システムの構成は、図１に示した実施例１の燃料電池システムと同じ構成を有するため、図示及び説明を省略する。
【００７７】
図６から図８を参照して、実施例２の燃料電池システムのシステム制御装置１９による起動動作を説明する。図６は、システム停止中におけるアノード残留ガスの各ガス成分の濃度を示したものである。図７（ａ）は、温度に対する目標負圧を示すテーブルＡ、図７（ｂ）は、温度に対する燃料電池運転時のアノードの目標圧力である。
【００７８】
図６において、温度の増大ともに、飽和水蒸気圧力が増大するために、アノード残留ガス中の水蒸気以外の主要なガスである窒素および酸素のそれぞれの濃度は減少する。アノード圧力を昇圧する前段階の酸素濃度が低下するに従い、昇圧過程において、電解質膜上の炭素の被毒を防止することができる水素濃度の要求値を満たすのに必要となる、水素ガス供給装置１から供給する水素流量を低減することができる。よって、温度の増大ともに目標負圧を低減できる。
【００７９】
さらに温度が高い場合には、酸素濃度がより低下するために、負圧制御を行わずとも昇圧制御のみにより、電解質膜上の炭素の被毒を防止することができる水素濃度の要求値を満たすことが可能な、水素流量を確保することができる。よって、負圧制御を行う必要のない温度領域とその閾値が存在する。この閾値より高い温度では、負圧制御を省略することができる。また、この閾値より高い温度では、目標圧力を低減する制御を行った場合にでも、水素濃度の要求値を満たすのに必要となる水素流量を確保することができる。
【００８０】
従って、図７（ａ）で示すテーブルＡおよび図７（ｂ）で示すテーブルＢを準備しておき、温度に応じてアノードの目標負圧及び目標圧力を制御することで、昇圧する前段階の温度が増大するに従い、起動時間を短縮することができる。
【００８１】
次に、図８のフローチャートを参照して、実施例２における燃料電池システムの起動動作を説明する。図８は、図５で説明したフローチャートの一部を変更したものであり、同様の内容の図示及び説明は省略する。
【００８２】
まず、Ｓ１１１において、アノード４入口のガス温度を検出する温度センサ２４の検出値Ｔａを読み込む。Ｓ１１２において、温度センサ２４の検出値Ｔａから、図７（ａ）で示すテーブルＡを参照して、目標負圧を読み込む。Ｓ１１３において、温度センサ２４の検出値Ｔａから、図７（ｂ）で示すテーブルＢを参照して、目標圧力を読み込む。Ｓ１１４において、システム制御装置１９は、温度センサ２４の検出値Ｔａと所定温度（負圧制御を行う必要のない閾値）とを比較する。検出値Ｔａが所定温度より小ならば（Ｓ１１４においてＹＥＳ）、図５のＳ１２０へ進み、負圧制御を行う。一方、検出値Ｔａが所定温度以上ならば（Ｓ１１４においてＮＯ）、図５のＳ２００へ進み、負圧制御を省略して昇圧制御を行う。
【００８３】
この結果、実施例２による効果としては、温度の増大ともに、水蒸気濃度が増大するために、水蒸気以外の主要なガスである窒素および酸素のそれぞれの濃度は減少する。昇圧する前段階の酸素濃度が低下するに従い、昇圧過程において、電解質膜上の炭素の被毒を防止することができる水素濃度の要求値を満たすのに必要となる、水素ガス供給装置１から供給する水素流量を低減することができる。よって、温度の増大ともに目標負圧を低減でき、アノード４の圧力が大気圧から目標負圧になるまでの時間を短縮できる。従って、アノード４の温度に応じて、燃料電池システムの起動時間を短縮することができる。
【実施例３】
【００８４】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例３を説明する。実施例３の燃料電池システムは、図１に示した燃料電池システムと同じ構成を有するため、図示及び説明を省略する。
【００８５】
図９から図１１を参照して、実施例３の燃料電池システムのシステム制御装置１９による起動動作を説明する。アノード圧力を昇圧する前段階のアノードにおける酸素濃度が低下するに従い、昇圧過程において、電解質膜上の炭素の被毒を防止することができる水素濃度の要求値を満たすのに必要となる、水素ガス供給装置１から供給する水素流量を低減することができる。よって、酸素濃度の減少ともに目標負圧を低減できる。
【００８６】
さらに酸素濃度が低い場合には、酸素濃度がより低下するために、負圧制御を行わずとも昇圧制御のみにより、電解質膜上の炭素の被毒を防止することができる水素濃度の要求値を満たすことが可能な、水素流量を確保することができる。よって、負圧制御を行う必要のない酸素濃度領域とその閾値が存在する。この閾値より低い酸素濃度では、負圧制御を省略することができる。また、この閾値より低い酸素濃度では、目標圧力を低減する制御を行った場合にでも、水素濃度の要求値を満たすのに必要となる水素流量を確保することができる。従って、図９（ａ）で示すテーブルＣおよび図９（ｂ）で示すテーブルＤを準備しておくことで、アノード圧力を昇圧する前段階のアノード酸素濃度が低下するに従い、起動時間を短縮することができる。
【００８７】
次に、図１１に示すフローチャートを参照して、第燃料電池システムの起動動作を説明する。図１１は、図５で示すフローチャートの一部を変更したものであり、同様の内容の図示及び説明は省略する。
【００８８】
まず、Ｓ４１１において、酸素濃度センサ２５の検出値を読み込む。Ｓ４１２において、酸素濃度センサ２５の検出値から、図９（ａ）で示すテーブルＣを参照して、目標負圧を読み込む。Ｓ４１３において、酸素濃度センサ２５の検出値から、図９（ｂ）で示すテーブルＤを参照して、目標圧力を読み込む。
【００８９】
Ｓ４１４において、システム制御装置１９は、酸素濃度センサ２５の検出値と所定酸素濃度（負圧制御を行う必要のない閾値）とを比較する。検出値が所定酸素濃度より小とならば（Ｓ４１４においてＹＥＳ）、図５のＳ１２０へ進み、負圧制御を行う。一方、検出値が所定酸素濃度より大ならば（Ｓ４１４においてＮＯ）、図５のＳ２００へ進み、負圧制御を省略して昇圧制御を行う。
【００９０】
なお、酸素濃度に基づき説明したのと同様に、昇圧する前段階の水素濃度が増大するに従い、昇圧過程において、電解質膜上の炭素の被毒を防止することができる水素濃度の要求値を満たすのに必要となる、水素ガス供給装置１から供給する水素流量を低減することができる。従って、図１０（ａ）で示すテーブルＥおよび図１０（ｂ）で示すテーブルＦを準備しておくことで、昇圧する前段階の酸素濃度が低下するに従い、起動時間を短縮することができる。
【００９１】
なお、水素濃度に基づいた、燃料電池システムの起動方法を説明するフローチャートは、図１４で説明したフローチャートにおいて、「酸素濃度から水素濃度へ、図９（ａ）のテーブルＣから図１０（ａ）のテーブルＥへ、図９（ｂ）のテーブルＤから図１０（ｂ）のテーブルＦへ変更し、Ｓ４１４のＹＥＳ／ＮＯの判断ロジックを反転させたもの」であるため、その図示および説明は省略する。
【００９２】
この結果、実施例３による効果としては、アノード圧力を昇圧する前段階のアノード酸素濃度が低下するに従い、昇圧過程において、電解質膜上の炭素の被毒を防止することができる水素濃度の要求値を満たすのに必要となる、水素ガス供給装置１から供給する水素流量を低減することができる。よって、酸素濃度の低下ともに目標負圧を低減でき、アノード４の圧力が大気圧から目標負圧になるまでの時間を短縮できる。従って、昇圧する前段階の酸素濃度に応じて、燃料電池システムの起動時間を短縮することができる。
【００９３】
昇圧する前段階の水素濃度が増大するに従い、昇圧過程において、電解質膜上の炭素の被毒を防止することができる水素濃度の要求値を満たすのに必要となる、水素ガス供給装置１から供給する水素流量を低減することができる。よって、水素濃度の増大ともに目標負圧を低減でき、アノード４の圧力が大気圧から目標負圧になるまでの時間を短縮できる。従って、昇圧する前段階の水素濃度に応じて、燃料電池システムの起動時間を短縮することができる。
【実施例４】
【００９４】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例４を説明する。実施例４の燃料電池システムは、図１に示した燃料電池システムと同じ構成を有するため、図示及び説明を省略する。
【００９５】
図１２及び図１３を参照して、実施例４の燃料電池システムのシステム制御装置１９による起動動作を説明する。図１２（ａ）は、前回のシステム停止からの経過時間に応じた、残留ガスの各成分のガス濃度の時系列を示したものである。経過時間の増大ともに、水素は、アノード４からカソード５への水素透過により減少するともに、カソード５からアノード４への酸素透過による酸素との化学反応により消費され減少する。酸素は、カソード５からアノード４への酸素透過してくるが、水素との化学反応により消費されるため、化学反応が生じることのない水素量あるいは水素濃度になるまで増大しない。その後、経過時間の増大ともに、酸素透過により増大する。窒素は、経過時間の増大ともに、カソード５からアノード４への窒素透過により増大する。水蒸気は、経過時間の増大ともにアノード４の温度が低下するために、時間の増大ともに減少する。
【００９６】
ところで、実施例３では、酸素濃度に応じて、図９（ａ）で示す目標負圧のテーブルおよび図９（ｂ）で示す目標圧力テーブルを備えていた。実施例４では、システム停止の経過時間に応じて、酸素濃度が推測できるために、システム停止の経過時間に応じた、図１２（ｂ）で示す目標負圧のテーブルＧおよび図１２（ｃ）で示す目標圧力のテーブルＨを選定することで、実施例３と同じ効果を得ることができる。また、図１２（ａ）で示すように所定停止時間Ａまでは、酸素が存在しない。そのため、所定停止時間Ａまでは、電解質膜の劣化抑制制御を省略できる（すなわち要求負荷に応じて燃料電池スタック３の発電モードへ移行できる）。また、所定停止時間Ａから所定停止時間Ｂまでは、酸素濃度が低いために、負圧制御を省略できる。
【００９７】
次に、図１３に示すフローチャートに従い、燃料電池システムの起動動作を説明する。図１３は、図５で示すフローチャートの一部を変更したものであり、同様の内容は図示および説明を省略する。
【００９８】
まず、Ｓ５１１において、前回のシステム停止からの経過時間ｔを読み込む。Ｓ５１２において、システム制御装置１９は、経過時ｔ間と所定停止時間Ａ（電解質膜の劣化抑制制御を行う必要のない閾値）とを比較する。経過時間ｔが所定停止時間Ａより大ならば（Ｓ５１２においてＹＥＳ）、Ｓ５１３へ進む。一方、経過時間ｔが所定停止時間Ａ以下ならば（Ｓ５１２においてＮＯ）、システム制御装置１９は、アノード４の残留ガス中に酸素がないと判断して、電解質膜の劣化抑制制御を省略して、要求負荷に応じた燃料電池スタック３発電へ移行する。
【００９９】
Ｓ５１３において、経過時間から、図１２（ｂ）で示すテーブルＧを参照して、目標負圧を読み込む。Ｓ５１４において、経過時間から、図１２（ｃ）で示すテーブルＨを参照して、目標圧力を読み込む。
【０１００】
Ｓ５１５において、システム制御装置１９は、経過時間ｔと所定停止時間Ｂ（負圧制御を行う必要のない閾値）とを比較する。経過時間ｔが所定停止時間Ｂより大ならば（Ｓ５１５においてＹＥＳ）、図５のＳ１２０へ進み、負圧制御を行う。一方、経過時間ｔが所定停止時間Ｂ以下ならば（Ｓ５１５においてＮＯ）、図５のＳ２００へ進み、負圧制御を省略し昇圧制御を行う。
【０１０１】
この結果、実施例４に関する効果としては、前回の燃料電池システム停止からの経過時間が短くなるに従い、昇圧する前段階の酸素濃度が低下するため、昇圧過程において、電解質膜上の炭素の被毒を防止することができる水素濃度の要求値を満たすのに必要となる、水素ガス供給装置１から供給する水素流量を低減することができる。よって、前回の燃料電池システム停止からの経過時間が短いほど、目標負圧の低減でき、アノード４の圧力が大気圧から目標負圧になるまでの時間を短縮できる。さらに、前回の燃料電池システム停止からの経過時間が短くなると、アノード４に存在する酸素がないため、電解質膜の劣化制御の省略が可能である。従って、前回の燃料電池システム停止からの経過時間に応じて、燃料電池システムの起動時間を短縮することができる。
【実施例５】
【０１０２】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例５を説明する。実施例５の燃料電池システムは、図１に示した燃料電池システムと同じ構成を有するため、図示及び説明を省略する。
【０１０３】
図１４を参照して、実施例５の燃料電池システムにおける起動動作を説明する。アノード４を含む水素ガス循環流路９に含まれる総ガス量は、圧力の減少に従い総ガス量は増大し、温度の増大にしたがい減少する。
【０１０４】
ところで、実施例１で説明したように、ガス循環装置８の目標流量は、所定昇圧時間で、残留ガスをガス循環装置８によりアノード４を含む水素ガス循環流路９を少なくとも１周循環できる流量として、選定している。よって、圧力の減少あるいは温度の増大に従い、ガス循環装置８の目標流量を低減することが可能である。ガス循環装置８の吐出流量が減少するに従い、アノード４へ循環供給される残留ガスの循環流量が減少するため、昇圧過程において、電解質膜上の炭素の被毒を防止することができる水素濃度の要求値を満たすのに必要となる、水素ガス供給装置１から供給する水素流量を低減することができる。よって、圧力の減少あるいは温度の増大とともに、ガス循環装置８の目標流量を低減することにより、目標負圧を低減できる。
【０１０５】
従って、図１４で示すマップＡを準備しておき、このマップＡに基づき算出される図７（ａ）のテーブルＡと図７（ｂ）のテーブルＢ、あるいは、図９（ａ）のテーブルＣと図９（ｂ）のテーブルＤ、あるいは、図１０（ａ）のテーブルＥと図１０（ｂ）のテーブルＦ、あるいは、図１２（ｂ）のテーブルＧと図１２（ｃ）のテーブルＨ準備することで、昇圧する前段階の圧力の減少あるいは温度の増大に従い、起動時間を短縮することができる。
【０１０６】
なお、実施例５の燃料電池システムの起動方法を説明するフローチャートは、図８、あるいは、図１１、あるいは、図１３で示したフローチャートの一部を変更したもの、すなわち、フローチャートのＳ２２０の内容を「アノード圧力センサ２３の検出値Ｐａと温度センサ２４の検出値Ｔａから図１４のマップＡを参照してガス循環装置８の目標流量を読み込み、環ポンプの流量を目標流量へ制御する」へ変更したものであるため、その図示および説明は省略する。
【０１０７】
この結果、実施例５による効果としては、アノード４を含む水素ガス循環流路９に含まれる総ガス量は、圧力の減少に従い総ガス量は増大し、温度の増大にしたがい減少する。そのため、圧力の減少あるいは温度の増大に従い、ガス循環装置８の目標流量を低減することが可能である。ガス循環装置８の吐出流量が減少するに従い、アノード４へ循環供給される残留ガスの循環流量が減少するため、昇圧過程において、電解質膜上の炭素の被毒を防止することができる水素濃度の要求値を満たすのに必要となる、水素ガス供給装置１から供給する水素流量を低減することができる。よって、圧力の減少あるいは温度の増大とともに、ガス循環装置８の目標流量を低減することにより、目標負圧を低減できる。従って、昇圧前の段階における圧力と温度に応じて、燃料電池システムの起動時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施例１のシステム概要図である。
【図２】アノード圧力の昇圧過程における圧力変化と圧力変化に対する水素供給流量の関係を示す図である。
【図３】アノード圧力の昇圧過程におけるアクチュエータ動作、圧力、流量の時系列を示す図である。
【図４】アノード圧力の昇圧過程における流量、ガス濃度の時系列を示す図である。
【図５】実施例１の燃料電池システムにおける起動動作のフローチャートである。
【図６】温度に対するアノード残留ガス中の各成分毎の濃度を示す図である。
【図７】（ａ）温度に対するカソードの目標負圧テーブル、（ｂ）温度に対するカソードの目標圧力テーブルである。
【図８】実施例２の燃料電池システムにおける起動動作のフローチャートである。
【図９】（ａ）酸素濃度に対す目標負圧テーブル、（ｂ）酸素濃度に対す目標圧力テーブルである。
【図１０】（ａ）水素濃度に対す目標負圧テーブル、（ｂ）水素濃度に対す目標負圧テーブルである。
【図１１】実施例３の燃料電池システムにおける起動動作のフローチャートである。
【図１２】（ａ）燃料電池システム停止からの経過時間に対するアノードのガス濃度あるいはガス量の時系列、（ｂ）燃料電池システム停止からの経過時間に対する目標負圧テーブル、（ｃ）燃料電池システム停止からの経過時間に対する目標圧力テーブルである。
【図１３】実施例４の燃料電池システムにおける起動動作のフローチャートである。
【図１４】実施例５における通常発電開始までの各ガス濃度変化と圧力の時系列である。
【符号の説明】
【０１０９】
１…水素ガス供給装置
２…空気コンプレッサ
３…燃料電池スタック
４…アノード
５…カソード
６…圧力調整弁
７…配管
８…ガス循環装置
９…水素ガス循環流路
１０…遮断弁
１１…流量制御弁（パージ弁）
１２…配管
１３…アフタークーラ
１４…加湿器
１５…配管
１６…配管
１７…圧力調整弁
１８…配管
１９…システム制御装置
２０…経過時間計測部
２１…異常検出部
２２…警報発生装置
２３…圧力センサ
２４…温度センサ
２５…酸素濃度センサ（あるいは水素濃度センサ）
２６…圧力センサ
２７…温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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